LUT Kone
BK10A0402 Kandidaatintyö
BRIKETÖINTILAITTEEN RAKENTEEN SUUNNITTELU METALLILASTULLE
STRUCTURAL DESIGN OF BRIQUETTING MACHINE FOR METAL SWARF
Lappeenrannassa Miika Koskinen
Tarkastaja TkT Kimmo Kerkkänen Ohjaaja TkT Kimmo Kerkkänen
LUT Kone Miika Koskinen
Briketöintilaitteen rakenteen suunnittelu metallilastulle Kandidaatintyö
2018
26 sivua, 6 kuvaa, 3 taulukkoa ja 3 liitettä Tarkastaja: TkT Kimmo Kerkkänen
Hakusanat: briketöinti, briketöintilaite, metallilastu, suunnittelu, tuotekehitys
Tämän kandidaatintyön tavoitteena on suunnitella uudenlainen rakenne metallilastun briketöintilaitteelle tuottavuuden näkökulmasta, sekä suorittaa pienimuotoinen vertailu nykyisiin laitteisiin. Suunnitteluprosessissa käytettiin systeemisiä menetelmiä, kuten vaatimuslistaa, josta johdettiin toimintaperiaatteet ja ratkaisuvaihtoehdot. Nämä pisteyttämällä valittiin kaksi kokonaisratkaisua, jotka luonnosteltiin ja mallinnettiin.
Koneturvallisuus otettiin pienimuotoisesti huomioon suunnittelussa. Mallinnetut rakenteet ovat suuntaa-antavia ja vaativat jatkokehitystä ennen käytännön sovelluksia.
LUT Mechanical Engineering Miika Koskinen
Structural design of briquetting machine for metal swarf 2018
26 pages, 6 figures, 3 tables and 3 appendices Examiner: D. Sc. (Tech.) Kimmo Kerkkänen Supervisor: D. Sc. (Tech.) Kimmo Kerkkänen
Keywords: briquetting, briquetting machine, metal swarf, design, product development The objective of this bachelor’s thesis is to design new structure for briquetting machine for metal swarf in terms of productivity and do a small-scale comparison for current machines.
Design process consisted of systematic methods like requirements list from which operating principles and solution options were derived. Scoring these, two overall solutions were selected, which were sketched and modeled. Machine safety was taken into account in a small scale. Modeled structures are directional and require further design before practical applications
SISÄLLYSLUETTELO
TIIVISTELMÄ ABSTRACT
SISÄLLYSLUETTELO
1 JOHDANTO………..5
1.1 Tutkimusongelma ja -kysymykset ... 5
1.2 Tavoite ja menetelmät ... 6
1.3 Rajaus ja tieteellinen anti ... 7
2 BRIKETÖINTI JA SUUNNITTELU ... 8
2.1 Nykyiset briketöintilaitteet ... 8
2.2 Metodinen konstruointi ... 10
2.3 Koneturvallisuus ... 11
3 LAITTEEN TUOTEKEHITYS... 13
3.1 Vaatimuslista ... 13
3.2 Abstrahointi ... 14
3.3 Toimintorakenne ... 15
3.4 Ratkaisuperiaatteet ... 15
3.5 Jäsentelykaavion pisteytys ... 16
3.6 Kokonaisratkaisun valinta ... 18
4 TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU ... 20
4.1 Osatoiminnot ... 21
4.2 Vertailu nykyisiin laitteisiin... 22
4.3 Laitteen koneturvallisuus ... 22
4.4 Kehityskohtia ... 23
5 JOHTOPÄÄTÖKSET ... 24
1 JOHDANTO
Lastuavassa työstössä syntyvä metallilastu voidaan puristaa briketeiksi, joita on puhtauden ja tiiviyden ansiosta helpompi käsitellä kuin irrallisia lastuja. Pääasiassa sylinterin muotoisia brikettejä voidaan puristaa metallin lisäksi eri aineista, kuten puusta tai hiilestä. Suurin hyöty briketöinnissä on tilavuuden pienentyminen ja käsiteltävyyden paraneminen. (Brozek &
Novakova 2010, s. 236–237.) Briketin pienempi tilavuus irralliseen lastuun verrattuna mahdollistaa tehokkaamman tilankäytön kuljetuksessa ja varastoinnissa. Tämän lisäksi briketöintiprosessissa saadaan kerättyä talteen lastuamisneste, joka pystytään käyttämään uudelleen. Lastuamisnesteen talteen kerääminen puristamalla vähentää metallilastun jälkikäsittelyn tarvetta sekä auttaa varastoinnin ja kuljetuksen puhtaudessa. Briketin helppo käsiteltävyys, puhtaus ja tiiviys nostavat jälleenmyyntiarvoa irralliseen metallilastuun verrattuna. (Tucholski 2012.)
1.1 Tutkimusongelma ja -kysymykset
Metallilastun briketöimiseen soveltuvia laitteita löytyy eri valmistajilta, joissa toimintaperiaate on lähestulkoon sama ja eroavaisuuksia löytyy rakenteellisesta toteutuksesta. Sama lopputulos voidaan saavuttaa erilaisilla rakenteilla ja ei ole yhtä oikeaa ratkaisua. Työ pyrkii vastaamaan seuraaviin kysymyksiin: Pystyykö rakenteellisilla muutoksilla lisäämään laitteen tuottavuutta nykyisiin laitteisiin verrattuna? Pystyykö osatoiminnoista yhdistää toimivaa kokonaisuutta? Kuvassa 1 on metallilastuja sekä irrallisena, että brikettinä.
Kuva 1. Metallilastuja sekä irrallisena, että brikettinä (Brozek & Novakova 2010, s. 236).
1.2 Tavoite ja menetelmät
Tutkimuksen tavoitteena on suunnitella uudenlainen rakenne briketöintilaitteelle tuottavuuden näkökulmasta ja suorittaa pienimuotoinen vertailu olemassa oleviin laitteisiin.
Tuottavuuden vertailukohtana on RUF:in nykyisten laitteiden kapasiteetti (kg/tunti) vastaavalla brikettikoolla. Työ keskittyy osatoimintojen suunnitteluun ja luonnosteluun, joista yhdistetään toimiva kokonaisuus. Osatoiminnot koostuvat keräyksestä, syötöstä, puristuksesta ja ulossyötöstä. Leikkuunesteen keräys otetaan huomioon suunnittelussa.
Luonnosteluista valitaan tarkempi kokoonpano, jota lähdetään työstämään eteenpäin.
Lopullisista osatoiminnoista ja kokoonpanosta muodostetaan 3D-malli, josta saa käsityksen toimintaperiaatteesta ja rakenteellisista ratkaisuista. Tutkimusmenetelminä käytetään tuotesuunnittelun ja koneensuunnittelun menetelmiä, joilla saadaan kohdistettua näkökulma suunnittelun kannalta oleellisiin asioihin, kuten valmistettavuuteen, sekä tuotteen kohderyhmän vaatimuksiin ja toivomuksiin. Suunnittelumenetelmillä saadaan luotua pohja luonnoksille, joista valitaan ratkaisu tarkempaan kehitykseen. Mallinnus tapahtuu SolidWorks-ohjelmalla.
1.3 Rajaus ja tieteellinen anti
Työ keskittyy osatoimintojen ja kokonaisuuden suunnitteluun ja mallinnukseen. Työn pääpaino on rakenteellinen suunnittelu ja toteutus tuottavuuden kannalta. Tämän takia lujuusteknistä mitoitusta, sähköisten komponenttien mitoitusta tai komponenttien materiaalivalintoja ei oteta huomioon. Rakenteellinen suunnittelu on rajattu keräyksen, syötön, puristuksen ja ulossyötön sekä niistä muodostuvan kokonaisuuden suunnitteluun.
Työllä haetaan uutta rakenteellista näkökulmaa metallilastun tehokkaampaan briketöintiin.
Jos lopullinen ratkaisu osoittautuu toimivaksi, työn pohjalta voi muodostaa jatkotutkimuksia. Jatkotutkimuksille on monia näkökulmia, joiden suunnasta pystytään viemään kehitystä eteenpäin.
2 BRIKETÖINTI JA SUUNNITTELU
Briketöinti perustuu lastuavasta työstöstä jäljelle jäävien lastujen puristamiseen.
Puristusprosessin yhteydessä on mahdollista kerätä lastuihin jäänyt leikkuuneste talteen uusiokäyttöä varten. Koko prosessi on automatisoitavissa, mikä nostaa tuottavuutta ja laskee kustannuksia. Brikettien muoto ja koko voivat vaihdella riippuen laitteesta, materiaalista ja parametreista. (RUF METALLI 2014.) Lastujen briketöinnillä saavutetaan useita etuja irrallisiin lastuihin verrattuna. Yhtenä suurimpana etuna on tilansäästö. Briketöimällä lastun viemä tilavuus voidaan kutistaa suhteessa 20:1, mikä vähentää varastointi- ja kuljetuskustannuksia. Puristusprosessissa kerätyn leikkuunesteen uusiokäytön lisäksi nesteenkeräyksellä saavutetaan puhdas ja yhtenäinen briketti, mikä nostaa briketin arvoa.
Briketöintilaite on automatisoitavissa, jolloin laite ei sido työvoimaa ja kykenee toimimaan tauotta. (Tucholski 2013.)
2.1 Nykyiset briketöintilaitteet
Nykyisten briketöintilaitteiden tekniikka puristuksen osalta perustuu lineaariseen puristusliikkeeseen männällä tai mekaaniseen puristukseen kahden rullan välissä. Patentista DE 102009056546 löytyy esimerkki RUF:in briketöintilaitteesta, jonka toiminta perustuu kahteen hydrauliseen sylinteriin. Laitteen toiminta selviää RUF:in lataamasta videosta.
Videolla lastun syöttö esipuristussylinteriin tapahtuu horisontaalisella ruuvikuljettimella, pystyssä oleva esipuristin puristaa lastun vaakatasossa olevalle pääsylinterille, joka suorittaa lopullisen puristuksen. Lastuamisneste kerätään talteen lopullisen puristuksen yhteydessä.
Valmis briketti siirretään sivuun pääsylinterin vetäytyessä. Ulossyöttö tapahtuu pääsylinterillä samalla liikkeellä seuraavan briketin puristuksen yhteydessä. (Metal Briquetting Process | Metal Briquette Machines | RUF Briquetting 2014.) Kuvassa 2 hahmottuu patentista löytyvä leikkauskuva laitteesta. Laitteen rakenne on toimiva, mutta brikettien määrä per sykli jää yhteen ja hydraulisten sylinterien palautusliike on rajoittava tekijä.
Kuva 2. RUF briketöintilaite (Pat. DE 102009056546 2012, s. 6).
Patentista US RE46,052 E löytyy esimerkki briketöintilaitteesta, jonka toiminta perustuu puristusprosessiin kahden rullan välissä. Kuvassa 3 hahmottuu leikkauskuva laitteesta.
Lastun syöttö tapahtuu esimerkiksi vertikaalisella ruuvikuljettimella kahden rullan väliin.
Toisen rullan pinnassa on koverat taskut, joihin briketti muodostuu puristuksessa. Toisessa rullassa voi olla vastakkaiset taskut tai rullan pinta voi olla sileä. Toinen rulla on kiinteästi paikallaan ja vastakkaisessa rullassa on hydraulinen sylinteri, joka työntää rullat yhteen.
Rullien pyörimissuunnat ovat vastakkaiset ja kosketuspinnassa kumpikin rulla pyörii alaspäin. (Pat. US RE46,052 E 2016, s 8-10.) Rullilla varustetussa briketöintilaitteessa lastuamisnesteen keräys pitäisi suunnitella erikseen tai kuivata lastut ennen briketöintiä,
brikettien muoto on satulamainen ja lastun tasainen jakautuminen rullien väliin pituussuunnassa on kyseenalainen.
Kuva 3. Briketöintilaite rullilla (Pat. US RE46,052 E 2016, s. 4).
2.2 Metodinen konstruointi
Metodinen konstruointi on systemaattinen prosessi, joka tukee intuitiivista ajattelua ja tehostaa konstruktorin edellytyksiä luovaan työhön. Konstruktiometodiikan avulla konstruktori pystyy muodostamaan systemaattisia ratkaisuja ja soveltamaan niitä vastaaviin ongelmiin. Konstruktiomenetelmissä ratkaisua haetaan vaiheittain iteratiivisilla prosesseilla.
Menetelmästä riippuen ratkaisua voidaan hakea tehtävän ydinolemuksen, vaikutussuhteiden tai fysikaalisten ilmiöiden määrittämisellä, joista voi johtaa ja soveltaa ratkaisuelementtejä ja toimintaperiaatteita. Virhekritiikki ja virheiden tunnistaminen on tärkeää konstruktioprosessin aikana, jolloin virhekohtia voi parannella tai karsia pois mahdollisimman aikaisin. (Pahl & Beitz 1990, s. 5-13.)
Ratkaisun etsimiseen voi käyttää myös systeemiteknisiä menetelmiä, joissa konstruktion kohde rajataan dynaamiseksi systeemiksi. Systeemi koostuu elementeistä, joiden vaikutussuhteet keskenään määritetään. Systeemitekniikan metodeilla vaiheittaisella iteratiivisella prosessilla kerätään tarvittava informaatio, määritellään tavoitteet systeemille, muodostetaan informaation ja tavoitteiden puitteissa ratkaisuvaihtoehtoja.
Ratkaisuvaihtoehtoja arvioimalla pystytään valitsemaan lopullinen ratkaisu, jota mahdollisesti lähdetään työstämään eteenpäin. (Pahl & Beitz 1990, s. 13-15.)
2.3 Koneturvallisuus
Koneiden turvallisuudesta on määritetty yleisesti työturvallisuuslaissa, jonka lisäksi koneita koskee myös konedirektiivi ja laitekohtaiset direktiivit. Suomessa asetukset ja päätökset pohjautuvat EU:n direktiiveihin. Direktiivit voidaan jakaa A-, B- tai C-tyypin standardeihin, joista A-tyypin standardit ovat kaikkia koneita koskevia yleisiä standardeja, B-tyypin standardit ovat yksittäistä ongelmaa koskevia standardeja ja C-tyypin standardit ovat laitekohtaisia standardeja. A- ja B-tyypin määrittely- ja luokittelustandardeissa, joissa ei ole erikseen C-tyypin standardia, ratkaisuvaihtoehtoa ei ole välttämättä määritelty, jolloin riskianalyysien ja yleisten periaatteiden pohjalta valitaan riittävän alhaisen riskin omaava vaihtoehto. (Siirilä 2002, s. 30-36.)
Työturvallisuuslain ja valtioneuvoston päätöksissä koneturvallisuuden suhteen perusvaatimuksena on, ettei kone aiheuta tapaturman tai sairastumisen vaaraa. Vaarakohtaan tulisi päästä käsiksi vain koneen ollessa tilassa, jolloin varaa ei ole. Yleisiä periaatteita vaarakohtien eristämiseksi ovat mm. fyysinen suojaaminen, koneen eristäminen, eristetyn alueen automatisoitu valvominen, jaksottaiset toiminta-ajat, käyttäjän jatkuva koneen hallinta ja vaaravyöhykkeen suojaaminen. Odottamattoman käynnistyksen ehkäisemiseksi voidaan asentaa kytkimiä, jotka katkaisevat energiansyötön laitteelle, sekä suojata hallintaelimet tahattomalta käynnistykseltä. Huollon osalta tulisi päästä tarvittaviin paikkoihin helposti ja turvallisesti. Konedirektiivin mukaan laitteen mukana tulisi tulla käyttöohjeet sekä Euroopan talousalueen kielellä että käyttäjämaan kielellä. (Siirilä 2002, s.
59-83.)
Briketöintilaitteen osalta oleellisia direktiivejä ovat konedirektiivi, pienjännitedirektiivi, sähkömagneettista yhteensopivuutta koskeva direktiivi, koneiden sähkölaitteistostandardi SFS-EN 60 204-1, sekä sitä täydentävät standardit. Ratkaisuvaihtoehdoista riippuen koneen
tulee täyttää niitä vastaavat direktiivit ja standardit. Tämän työn suunnitteluprosessissa otetaan koneturvallisuus huomioon, mutta pääpaino on rakenteellisella suunnittelulla ja valittu ratkaisu ei välttämättä täytä kaikkia vaatimuksia. Lopullinen ratkaisu tulisi muokata direktiivejä ja standardeja vastaavaksi ennen käytännön sovelluksia.
3 LAITTEEN TUOTEKEHITYS
Laitteen luonnostelu pohjautuu vaatimusluetteloon, joka ottaa tuotteelle asetetut vaatimukset ja toivomukset huomioon suunnitteluprosessissa. Luonnostelu koostuu pääasiassa toimintorakenteen ja ratkaisuperiaatteen määrittämisestä. Eri ratkaisuvaihtoehdoista voidaan muodostaa jäsentelykaavio, joka pisteyttämällä saadaan valittua vaihtoehtoja kokonaisratkaisulle, joita lähdetään työstämään eteenpäin.
3.1 Vaatimuslista
Vaatimuslista toimii lähtökohtana suunnitteluprosessissa ja kuvaa tuotteen ominaisuudet ja materiaalit mahdollisimman tarkasti, joko lukuarvoina tai sanallisesti kuvattuna. Näillä voidaan vaikuttaa käyttäjälle syntyvään laatukäsitykseen. Laatukäsitykseen vaikuttavia tekijöitä ovat mm. suorituskyky, materiaalit, ergonomia, kestävyys ja tuoteominaisuudet.
Tuotteelle asetetaan erilaisia vaatimuksia ja toivomuksia ominaisuuksien ja parametrien suhteen, joiden puitteissa suunnitteluprosessia viedään eteenpäin. Vaatimuslistaa päivitetään tarpeen tullen suunnitteluprosessin aikana. (Kleimola 2014, s. 10–12.)
Vaatimuslistan rakenteeksi suositellaan taulukkoa, josta käy ilmi mm. käyttäjän nimi, tuotteen nimi, julkaisu- ja muutospäivämäärät, vaatimukset ja toivomukset eroteltuna V ja T tunnuksin sekä niistä vastaavat henkilöt. Vaatimuslistan muoto tai sisältö ei ole vakioitu vaan sitä voi muunnella tarpeen mukaan. (Pahl & Beitz 1990, s. 64-65.) Tämän työn luonteen puolesta voidaan käyttää pelkistettyä versiota vaatimuslistasta. Pääasiat, jotka tulisi käydä ilmi ovat vaatimukset ja toivomukset.
Taulukko 1. Vaatimuslista briketöintilaitteelle (Muokattu Pahl & Beiz 1990, s. 65).
Vaatimuslista
V/T Vaatimukset
V Automaattinen syöttö
V Automaattinen puristus
V Automaattinen ulossyöttö
V Syötön rajoitin puristuksen aikana
Taulukko 1 jatkuu. Vaatimuslista briketöintilaitteelle (Muokattu Pahl & Beiz 1990, s. 65).
Vaatimuslista
V/T Vaatimukset
V Lastuamisnesteen keräys
T Laitteen koon optimointi
T Brikettien tasainen laatu
T Laitteen käyntiäänen optimointi
T Briketin halkaisija 80 mm
T Briketin paksuus 50 mm
Vaatimukset ja toivomukset ovat jo ennen abstrahointia melko pelkistettyjä ja suuntaa- antavia työn vapaamman luonteen puolesta. Pääpaino on rakenteellisella toteutuksella vaatimuslista huomioon ottaen.
3.2 Abstrahointi
Abstrahoinnilla määritetään ydinolemus laitteen toiminnasta ja oleellisista ongelmista ottamatta kantaa toimintorakenteeseen. Abstrahoinnilla korostetaan laitteen oleellisia toimintoja ja määreitä supistamalla, yleistämällä ja laajentamalla vaatimusluetteloa askelittain yleispätevämpään suuntaan. Ensimmäisen askeleen jälkeen jätetään toivomukset pois, toisen jälkeen jätetään epäoleelliset vaatimukset pois, kolmannen askeleen jälkeen kuvaillaan määreet sanallisesti, mistä käy oleellinen ilmi, neljännen askeleen jälkeen supistetaan vielä yleispätevämpään muotoon ja viidennessä askeleessa kuvataan ongelma neutraalilla lauseella. (Pahl & Beitz 1990, s. 72-74) Vaatimuslistan ollessa valmiiksi pelkistetty, voidaan hypätä suoraan neljänteen askeleeseen.
Taulukko 2. Briketöintilaitteen abstrahointi (Muokattu Pahl & Beiz 1990, s. 77).
Tulos 4. askeleen jälkeen:
- Automatisoitu toiminta - Rajoitettu syöttö
- Lastuamisnesteen keräys Tulos 5. askeleen jälkeen:
- Automatisoitu briketöintilaite, joka kerää lastuamisnesteen puristusprosessin yhteydessä.
3.3 Toimintorakenne
Toimintorakenne kuvaa kaavion muodossa osatoiminnot ja niiden järjestyksen ottamatta kantaa tekniseen toteutukseen. Suunnitteluprosessin ollessa uuskonstruktio, toimintorakenteen ja osatoimintojen suunnittelu vaatii luovuutta. Toimintorakenteen ollessa selvillä, osatoimintoja voi suunnitella omina kokonaisuuksinaan. (Kleimola 2014, s. 13.) Kuvasta 4 löytyy toimintorakenne briketöintilaitteelle.
Kuva 4. Briketöintilaitteen toimintorakenne (muokattu Kleimola 2014, s. 13).
Toimintorakenne koostuu pääasiassa lastun syötöstä, puristusprosessista ja briketin ulossyötöstä. Näiden lisäksi puristusprosessin yhteydessä kerätään lastuamisneste talteen ja koko prosessi on automatisoitu anturien ja ohjausjärjestelmän avulla. Tavoitteena on saavuttaa jatkuva sykli, jossa kaikki osatoiminnot olisivat jatkuvasti toiminnassa minimoiden seisonta-ajat.
3.4 Ratkaisuperiaatteet
Osatoimintojen ratkaisuperiaatteita haetaan sekä tavanomaisilla menetelmillä, että intuitiivisesti painotetuilla menetelmillä. Tavanomaisista menetelmistä sovelletaan kirjallisuustutkimusta ja tunnettujen teknisten systeemien analyysiä, joilla otetaan huomioon tunnettuja toimintaperiaatteita osatoiminnoille ja toimintorakenteelle. Intuitiivisista menetelmistä sovelletaan lähinnä systemaattista etsintää jäsentelykaaviolla, jossa ratkaisuvaihtoehdot jäsennellään parametrien mukaan taulukkoon ja niitä yhdistelemällä muodostetaan kokonaisratkaisu. (Pahl & Beitz 1990, s. 99-112.)
Liitteessä I löytyy jäsentelykaavio valituille ratkaisuvaihtoehdoille syötön, puristuksen ja ulossyötön osalta. Ratkaisuvaihtoehdot eivät ole lopullisia ratkaisuja vaan suuntaviivoja rakenteellisen toteutuksen suhteen. Syötölle ratkaisuvaihtoehdoiksi valittiin ruuvikuljetin, liukuhihna ja kaksi erilaista laipparatkaisua. Puristukselle vaihtoehtoina on lineaarinen mekaaninen puristus pyörivällä liikkeellä, puristus rullien välissä ja kaksi erilaista hydraulista sylinteriä, joista toinen puristaa molempiin suuntiin. Ulossyötölle vaihtoehtoina on kiekko, joka kääntää briketin ulos sylinteristä, joustava takaseinä, joka irrottaa takaseinän sylinteristä ja briketti voidaan pyyhkäistä pois, varsi, joka kääntää briketin pois sylinteristä kiekon tapaan ja kääntyvä takaseinä, joka työntää briketin ulos muotista.
Ratkaisuvaihtoehdoista ruuvikuljetin, mekaaninen puristussylinteri, rullien välissä tapahtuva puristus ja yhteen suuntaan puristava hydraulinen sylinteri ovat ratkaisuja, jotka löytyvät nykyisistä laitteista ja niiden lisäksi ideoitiin vaihtoehtoisia ratkaisuja. Intuitiivisen prosessin seurauksena konstruktorin subjektiivisuus tulee esiin ja ratkaisuvaihtoehdot ovat painottuneet lineaariselle liikkeelle, jonka vuoksi yhteensopivuus varsinkin rullien välissä tapahtuvaan puristukseen on heikko.
3.5 Jäsentelykaavion pisteytys
Eri ratkaisuvaihtoehtojen pisteytys tulee olla objektiivinen ja sitä vertaillaan sekä ratkaisuvaihtoehtojen kesken sekä kuviteltuun ideaaliratkaisuun. Tavoitteet osatoiminnoille tulee määritellä etukäteen ja ne pohjautuvat vaatimusluetteloon. Arviointiin on olemassa menetelmiä, kuten ohjelmisto VDI 2225, joka ottaa laajemmin huomioon osatoimintojen vaatimuksia ja ehtoja. Arviointikriteerit määritetään VDI 2225 ohjelmistolla suunnilleen tasavertaisiksi ratkaisuvaihtoehtojen välillä ja mahdollisesti käytetään painokertoimia merkityseron ollessa suuri. Osatoiminnoille määritetään joko numeerisesti tai sanallisesti ominaissuureet, jotka vastaavat arviointikriteerejä. Ratkaisuvaihtoehdot pisteytetään vertaamalla ominaissuureita arvioijan arvokäsitykseen. Arviointikriteerien ollessa riippumattomat toisistaan, kokonaisarvio saadaan laskemalla jokaisen muunnelman osa- arvot yhteen. Arvosteluvirheitä saattaa syntyä, jos arvioija arvioi ratkaisuvaihtoehtoja subjektiivisesti, käyttämällä puutteellisia kriteerejä ja parametrejä ja arvostelemalla ratkaisuja epätasapainoisesti. (Pahl & Beitz 1990, s. 140-153.)
Luonnosteluvaiheessa tapahtuva pistearviointi perustuu suurelta osin vaatimuslistaan.
Arviointikriteerit johdetaan vaatimuslistan vaatimuksista, sekä yleisistä ominaisuuksista.
Informaation niukkuuden vuoksi painokertoimien käyttö ei ole suositeltavaa, vaan
arviointikriteerit tulisi valita tasavertaisesti. Ominaissuureet tulisi ilmoittaa mahdollisuuksien mukaan numeerisesti ja määrällisten arvojen puuttuessa voidaan ne antaa sanallisesti. Pisteytyksessä voidaan käyttää VDI 2225 ohjelmiston mukaista 0-4 pisteskaalaa tai suurempaa 0-10 pisteskaalaa, joiden apuna voidaan käyttää väliarvoja tai suuntaviivoja.
Suuremmalla skaalalla yksittäisen pisteen merkitys laskee. Kokonaisarvo saadaan laskemalla ratkaisuvaihtoehtojen pisteet yhteen. Arviointimenetelmillä pisteytetyt kokonaisratkaisut ovat suuntaa-antavia ja lopullisen kokonaisratkaisun valinnassa kannattaa vartailla arvoprofiileja muunnelmien välillä, joista näkyy heikot kohdat muunnelmissa.
(Pahl & Beitz 1990, s. 156-161.)
Briketöintilaitteen osalta tavoitteet määritetään sanallisesti syötön, puristuksen ja ulossyötön osalta. Syötön tavoitteena on syöttää automaattisesti brikettiin tarvittava määrä metallilastua puristavalle osatoiminnolle kohtuullisessa ajassa. Puristuksen tavoitteena on automaattisesti puristaa syötöstä saatu metallilastu tasalaatuiseksi briketiksi kohtuullisessa ajassa ja kerätä lastuamisneste talteen puristuksen aikana. Ulossyötön tavoitteena on automaattisesti syöttää valmis briketti ulos kohtuullisessa ajassa. Pisteytys on suppea ja pohjautuu pitkälti konstruktorin arvokäsitykseen ratkaisuvaihtoehtojen ominaisuuksien ja arvojen ollessa määrittämättömiä. Ominaissuureina käytetään määritettyjä tavoitteita osatoimintojen suhteen konkreettisten arvojen puuttuessa. Taulukosta 3 löytyy jäsentelykaavion pisteytys, jossa ratkaisuvaihtoehtojen ominaissuureita verrataan arvokäsitykseen ja ideaaliratkaisuun.
Pisteytys tapahtuu asteikolla 0-10, jossa 10 merkitsee ideaalista ratkaisua ja 0 käyttökelvotonta ratkaisua.
Taulukko 3. Briketöintilaitteen jäsentelykaavion pisteytys (Muokattu Pahl & Beiz 1990, s.
159).
1. 2. 3. 4.
1. Syöttö 7 7 5 4
2. Puristus 6 6 6 7
3. Ulossyöttö 6 3 5 5
Syötön osalta ensimmäisessä vaihtoehdossa laippa kääntää koko pituudelta vuorotellen puolelta toiselle tarvittavan määrän lastuja. Tämä ratkaisu vaatisi kummallekin puolelle sylinterin ja todellinen syötön määrä saattaa vaihdella. Toisessa vaihtoehdossa ruuvikuljetin
syöttää lastut puristimelle. Riippuen ruuvikuljettimen asennosta ja syöttökaukalosta, lastut saattavat muodostua keoksi, jolloin todellinen syötetty määrä saattaa jäädä vajaaksi.
Kolmannessa vaihtoehdossa liukuhihna kuljettaa lastut sylinteriin. Ongelmakohdaksi muodostuu tarkka lastujen siirtäminen liukuhihnalta puristukseen. Neljäs vaihtoehto on samantyyppinen ensimmäisen kanssa, mutta laippa kääntää lastuja vain toiselta puolelta.
Syötön todellinen määrä saattaa samalla tavalla vaihdella.
Puristuksen osalta ensimmäisessä vaihtoehdossa mekaanisesti toimiva mäntä puristaa briketin, jolloin brikettejä muodostuu yksi per sykli. Toisessa vaihtoehdossa briketit puristuvat rullien välissä, jolloin lastuamisnesteen keräys ja brikettien tasainen laatu muodostuvat ongelmaksi. Kolmannessa vaihtoehdossa yhteen suuntaan puristava hydraulinen mäntä puristaa briketit, jolloin brikettien määrä jää yhteen per sykli. Neljännessä vaihtoehdossa kumpaankin suuntaan puristava mäntä puristaa briketit, jolloin puristusteho ei ole yhtä suuri kuin kolmannessa vaihtoehdossa.
Ulossyötön osalta ensimmäisessä vaihtoehdossa kiekko kääntää briketit sivuun. Tämä ratkaisu vaatisi kiekon taakse levyn, jota vasten briketti puristetaan ja kiekon asento sylinteriin nähden tulisi olla tarkka. Tämän lisäksi tarvitaan erillinen varsi, joka työntää briketin pois kolosta. Toisessa vaihtoehdossa takalevy olisi paikallaan puristuksen aikana ja joustaisi sen jälkeen, jolloin briketti saadaan pyyhkäistyä pois, jonka jälkeen takalevy siirtyisi takaisin paikalleen. Ratkaisun toimivuus on kyseenalainen ja vaatisi enemmän liikkuvia osia muihin ratkaisuihin nähden. Kolmannessa vaihtoehdossa on pyörivä varsi, joka kääntää briketin sivuun ensimmäisen vaihtoehdon tapaan. Varren taakse tarvitaan takalevy ja erillinen varsi, joka työntää briketin sivuun. Kiekkoratkaisussa säilyy jatkuva sykli ja varsiratkaisussa varsi tekee edestakaista liikettä. Neljännessä vaihtoehdossa briketti puristetaan muottiin, joka kääntyessään työntää briketin ulos. Muotin kohdistaminen ja lukitseminen paikalleen puristuksen aikana saattaa aiheuttaa ongelmia. Briketin irrottaminen on myös kyseenalainen.
3.6 Kokonaisratkaisun valinta
Pisteytyksen perusteella kokonaisratkaisut, joita lähdetään työstämään eteenpäin, ovat syötön osalta kummallekin puolelle syöttävä laipparatkaisu, sekä ruuvikuljetin. Puristuksen osalta keskitytään kumpaankin suuntaan puristavaan hydrauliseen sylinteriin. Ulossyötön
osalta keskitytään kiekkoratkaisuun. Kummankin kokonaisratkaisun karkea luonnos löytyy liitteestä II.
4 TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU
Liitteessä II on luonnosteltu kokonaisratkaisut valittujen ratkaisuvaihtoehtojen pohjalta.
Luonnosteluissa on pyritty luomaan jatkuva sykli osatoimintojen välille minimoiden tarpeettomat liikkeet. Kokonaisratkaisujen rakenne on samantyyppinen, mutta laipparatkaisussa puristus ja ulossyöttö on peilattu kummallekin puolelle johtuen puolittain tapahtuvasta syötöstä. Kuvista 5 ja 6 näkyvät mallinnetut kokonaisratkaisut ja liitteestä III näkyvät lähikuvat rakenteesta kummallekin ratkaisulle.
Kuva 5. Mallinnettu kokonaisratkaisu ruuviratkaisulle.
Kuva 6. Mallinnettu kokonaisratkaisu laipparatkaisulle
4.1 Osatoiminnot
Syöttösäiliö on suunniteltu olevan automaattisesti ylhäältäpäin täytettävä, joka jakaa lastut tasaisesti puolittain. Syötön osalta kumpaankin suuntaan esipuristava sylinteri vaatii kaksi erillistä syöttöratkaisua, yksi kummallekin puolelle sylinteriä. Lastun jakautuminen tasaisesti kummallekin puolelle on kyseenalainen, mutta ei pitäisi muodostua ongelmaksi syöttökaukalon ollessa tarpeeksi täysi.
Puristuksen osalta merkittävin tekijä on esipuristuksen liikkeen pituus. Jos puristussuhteen tavoitteeksi ottaa RUF:in ilmoittaman 20:1 suhteen niin halkaisijan ollessa vakio, puristuksen pituudeksi tulee 20 kertaa briketin paksuus. 50 mm paksuisella briketillä esipuristuksen liikkeen pituus olisi 1000 mm. RUF:in laitteen tapaan kokonaisratkaisussa käytetään kahta sylinteriä, joista toinen esipuristaa briketin nopealla liikkeellä ja toinen puristaa briketin tiiviiksi hitaammalla ja tehokkaammalla liikkeellä. Puristuksen voisi periaatteessa hoitaa yhdelläkin sylinterillä, mutta liike olisi huomattavasti hitaampi ja tuottavuus huonompi. Esipuristussylinterissä voidaan käyttää pienempää halkaisijaa kuin
pääpuristussylinterissä, jolloin teho on pienempi, mutta liike on nopeampi.
Pääpuristussylinterissä tekniikka on sama esipuristussylinteriin nähden, mutta sylinterin halkaisija on suurempi, liike on hitaampi ja puristusteho on suurempi. Pääpuristussylinterin pituus ei ole optimaalinen johtuen esipuristussylinterin pituudesta.
Ulossyötön osalta käytettävässä kiekkoratkaisussa on kolme koloa. Esipuristus, puristus ja briketin ulostyöntäminen tapahtuvat samanaikaisesti puristusprosessin aikana ja syklien välissä kiekko kääntyy kolmasosakierroksen. Esipuristettu briketti siirtyy varsinaiseen puristukseen, puristettu briketti siirtyy ulostyöntäjälle ja tyhjä kolo siirtyy esipuristukseen.
Kumpikin pääty toimii vastakkaisessa tahdissa sylinterien mukaan. Ruuviratkaisussa kiekkoja on 2, yksi kummassakin päädyssä ja laipparatkaisussa 4, puristuksen ollessa peilattu kummallekin puolelle. Puristuksessa kiekkoa pitkin valuva lastuamisneste kerätään kiekon alapuolelta talteen ja puristetut briketit liukuvat painovoimalla kaukaloa pitkin haluttuun astiaan.
4.2 Vertailu nykyisiin laitteisiin
RUF 4-11 laitteille ilmoitettu maksimikapasiteetti teräkselle on 200 kg/tunti halkaisijan ollessa 80 mm (RUF METALLI 2014). Valuraudalle briketin tiheys on suunnilleen 0.57- 0.66 kiinteän aineen tiheydestä (Brozek & Novakova 2010, s. 240). Jos oletetaan, että teräslastusta puristetun briketin tiheys on suunnilleen 0.62 kiinteän teräksen tiheydestä 7850 kg/m3, niin briketin halkaisijan ollessa 80 mm ja korkeuden 50 mm painoksi saadaan suunnilleen 1,22 kg per briketti. Vertailukapasiteettiin päästäkseen tulisi laitteen puristaa 164 brikettiä tunnissa, jolloin yksittäisen puristussyklin keston tulisi olla ruuviratkaisulle suunnilleen 44 s ja laipparatkaisulle 88 s. Vertailukapasiteetti on ylitettävissä ja kapasiteettia on mahdollista kasvattaa muuntelemalla briketin ja sylinterien parametrejä.
4.3 Laitteen koneturvallisuus
Briketöintilaite on suunniteltu toimivan automaattisesti, jolloin laite ei vaadi erillistä käyttäjää. Laite voidaan kytkeä pois päältä huollon, täytön tai tyhjennyksen ajaksi. Täyttö voidaan myös automatisoida, jolloin seisonta-aika ja tapaturmariski pienenevät.
Puristusvaaralliset paikat kuten kiekot voidaan suojata ja laite voidaan automatisoinnin vuoksi aidata erilleen. Suunnitelluissa rakenteissa merkittäviä direktiivien- ja standardienalaisia kohtia ovat sähkölaitteet, joita koskee pienjännitedirektiivi ja
sähkömagneettista yhteensopivuutta koskeva direktiivi ja hydrauliset sylinterit, joita koskee metallintyöstökoneiden hydraulista puristusta määrittävä direktiivi. Näiden lisäksi laitteen tulisi täyttää koneturvallisuuden perusstandardit, sekä useampia turvallisuuteen liittyviä standardeja ohjauksenjärjestelmään liittyen. Yleisesti direktiivit määrittävät turvallisuusvaatimukset ja mahdolliset riskianalyysit, mitä osalta tai ominaisuudelta vaaditaan. Suunnittelussa on otettu huomioon koneturvallisuuden perusvaatimus, mutta käytännön sovelluksia varten rakenne tulisi muokata direktiivejä vastaavaksi.
4.4 Kehityskohtia
Ratkaisuvaihtoehtojen konkreettisten arvojen ja ominaisuuksien puuttuessa kokonaisratkaisun pisteytys jäi turhan subjektiiviseksi. Suunnitelluissa rakenteissa on useampia heikkoja kohtia toimivuuden kannalta. Puolittain toteutettu syöttö vaatii lastun jakautumista tasaisesti kummallekin puolelle säiliötä. Tämä ei muodostu ongelmaksi säiliön ollessa täysi, mutta vajaalla säiliöllä saattaa muodostua tilanne, jossa toisella sylinterillä on lastua ja toisella ei. Tilannetta voidaan korjata antureilla, jotka valvovat lastumääriä puolittain. Vaatimuslistassa ollutta syötön rajoitinta ei rakenteellisista syistä saatu järkevästi toteutettua. Vaihtoehtoina syötön rajoittimelle on lippa esipuristusmännälle, joka sulkee syöttökanavan esipuristuksen aikana tai mekaaninen luukku, joka liukuu syöttökanavan päälle esipuristuksen ajaksi. Syöttökanavan pituus muodostui ongelmaksi syötön rajoittimen suhteen. Vaatimuslistassa toivomuksena olevaa laitteen koon optimointia ei saatu toteutettua leveyden ollessa noin 4 m. Puristussylinterin pituus ei ole optimaalinen, johtuen esipuristussylinterin pituudesta. Käytännössä syrjäyttävän nesteen määrä on vakio pituudesta riippumatta, mutta tarpeettoman hydraulinesteen ja metallin määrä on liian suuri.
Vaihtoehtoinen ratkaisu olisi vaihtaa pitkä molempiin suuntiin puristava sylinteri kahteen pienempään yhteen suuntaan puristavaan sylinteriin, mikä vähentäisi tarpeettoman materiaalin määrää, mutta lisäisi liikkuvia osia. Valituissa kokonaisratkaisuissa on tärkeää, että osatoiminnot toimivat samassa tahdissa ja tämä tulisi ottaa huomioon sähkö- ja säätötekniikan osalta. Mallinnetut rakenteet keskittyvät rakenteelliseen toteutukseen, jonka vuoksi laitteen runkoa, tukia tai kiinnityksiä ei ole mallinnettu. Niiden toteutuksessa saattaa muodostua ongelmia, jotka vaativat muutoksia rakenteeseen.
5 JOHTOPÄÄTÖKSET
Briketöintilaitteen rakenteeseen on monia vaihtoehtoja ja laitteen valinta muodostuu pitkälti käyttötarkoituksesta. Jokaisella ratkaisulla on hyviä ja huonoja puolia, eikä laitteen rakenteeseen ole yhtä ja oikeaa ratkaisua. Uuskonstruktiossa vaatimuslista määrittelee pitkälti laitteen rakenteelta vaaditut ominaisuudet ja systemaattisella suunnitteluprosessilla saadaan vaihtoehtoja, joista voidaan lähteä toteuttamaan rakennetta eteenpäin. Työn tavoitteeseen päästiin suunnittelemalla rakenne briketöintilaitteelle tuottavuuden näkökulmasta, mutta suunniteltu rakenne on lähinnä suuntaa-antava ja vaatii vielä hiomista ennen käytännön sovelluksia. Mallinnettu rakenne pohjautuu jatkuvaan sykliin, jossa osatoiminnot toimivat samassa tahdissa keskinäisessä vuorovaikutuksessa toisiinsa.
Rakenteen tulisi teoriassa ylittää tuottavuudelle asetettu vertailukohta kapasiteetin suhteen, mutta todelliset arvot vaativat jatkotutkimuksia. Mallinnetun laitteen koko ja kapasiteetti rajoittavat käytännöllisyyttä ja kompaktimpi ratkaisu olisi voinut olla käyttökelpoisempi.
Suurimmat kehityskohdat painottuvat syötölle ja esipuristukselle, joiden toimivuus mallinnetuissa ratkaisuissa on kyseenalainen. Suunnittelussa otettiin koneturvallisuuden perusvaatimus huomioon, mutta käytännön sovelluksia varten tulisi rakenne muokata direktiivien mukaiseksi.
LÄHTEET
Brozek, M., Novakova, A. 2010. Briquetting of chips from nonferrous metal [verkkodokumentti]. Jelgava: toukokuu 2010 [viitattu 21.11.2018]. Czech University of Life Sciences Prague, Faculty of Engineering, Department of Material Science and Manufacturing Technology. pp. 236-241. Saatavissa PDF-tiedostona:
https://www.researchgate.net/publication/228913887_Briquetting_of_chips_from_nonferro us_metal.
Kleimola, M. 2014. [Luku 0:] Johdatus tuotekehitykseen. Teoksessa: Björk, T., Hautala, T., Huhtala, K., Kivioja, S., Kleimola, M., Lavi, M., Martikka, H., Miettinen, J., Ranta, A., Rinkinen, J., Salonen, P. Koneenosien suunnittelu. 6. uudistettu painos. [Helsinki:] Sanoma Pro Oy. 2014. s. 9–15.
Metal Briquetting Process | Metal Briquette Machines | RUF Briquetting. 2014. [www- tuotedokumentti]. (Julkaisupaikka tuntematon): RUF Briquetting, 2014. [Viitattu 30.10.2018]. Saatavissa https://www.youtube.com/watch?v=Otxxvhl6zTs
Pahl, G. & Beitz, W. 1990. Koneensuunnitteluoppi. Suom. Konttinen, U. 2. korjattu painos.
Helsinki: Suomen Metalli-, Kone-, ja Sähköteknisen Teollisuuden Keskusliitto, MET. 608 s.
Pat. DE 102009056546. 2012. Briquetting press and the use thereof. Ruf GmbH&Co. Kg, Zaiserthofen: Germany. (Ruf, H.) Appl. DE 102009056546, 2009-12-03. Publ. 2012-10-10.
7s.
Pat. US RE46,052 E1. 2016. BRIQUETTING PROCESS. Tra-Det Inc, Triadelphia, WV:
US, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, Campbell: AU, K. R.
Komarek Inc., Elk Grove Village, IL:US, The Griffin Coal Mining Company Pty Limited, Perth: AU. (Clark, K. N., Kalb, G. W., Komarek, R., Meakins, R. L., Pearson, A. C.) Appl.
US 7892302, 2004-02-11. Publ. 2004-08-26. Reissued. 2016-07-05. 17 s.
RUF METALLI. 2014. [www-tuotedokumentti]. (julkaisupaikka tuntematon): RUF, 2014.
[Viitattu 3.9.2018]. Saatavissa PDF-tiedostona:
https://www.briquetting.com/fileadmin/_migrated/content_uploads/RUF_Flyer_Metal_FI_
01.pdf.
Siirilä, T. 2002. KONETURVALLISUUS – EU:n direktiivien ja standardien soveltaminen käytännössä. Keuruu: Otavan Kirjapaino Oy. 510 s.
Tucholski, G. 2013. Squeezing value from scrap [verkkodokumentti]. Julkaistu 2013.
[Viitattu 3.9.2018]. Saatavissa:
https://www.recyclingproductnews.com/article/3145/squeezing-value-from-scrap.
Liite I JÄSENTELYKAAVIO
Osatoimintojen ratkaisuvaihtoehdot muotoiltuna jäsentelykaavioon. Syötölle, puristukselle ja ulossyötölle on kullekin neljä ratkaisuvaihtoehtoa, joista muodostetaan kokonaisratkaisu.
Liitteen taulukko 1. Jäsentelykaavio briketöintilaitteen ratkaisuvaihtoehdoista.
Liite II, 1 LUONNOSTELTUJA RAKENTEITA
Luonnostellut rakenteet briketöintilaitteelle valituista kokonaisratkaisuista löytyy tämän liitteen kuvista 1 ja 2. Kuvassa 1 on esitetty ruuvikuljetinvaihtoehto ja kuvassa 2
laippavaihtoehto.
Liitteen kuva 1. Luonnos briketöintilaitteen kokonaisratkaisusta ruuvikuljettimella.
Liite II, 2
Liitteen kuva 2. Luonnos briketöintilaitteen kokonaisratkaisusta laipparatkaisulla.
Liite III MALLINNETTUJA RAKENTEITA
Liitteen kuvissa 1 ja 2 löytyy laipparatkaisusta ja ruuviratkaisusta lähikuvat puristusrakenteesta, jotka havainnollistavat ratkaisujen rakennetta ja eroavaisuuksia.
Liitteen kuva 1. Lähikuva ruuviratkaisun rakenteesta.
Liitteen kuva 2. Lähikuva laipparatkaisun rakenteesta.Page 3of
